长安大学建筑结构试验详解.docx
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长安大学建筑结构试验详解
建筑结构试验
冀德学石晶
课程主要内容
第一章 结构试验概论
第二章结构试验设计
第三章结构静载试验(单调加载实验)
第四章 结构动力特性试验
第五章结构抗震试验
第六章结构试验现场检测技术
实验项目
实验一常用机械式量测仪表使用技术
实验二电阻应变片粘贴与检测技术
实验三静态电阻应变测量技术
实验四钢桁架非破坏试验
实验五结构动力特性的测定试验
实验六混凝土结构非破损检测技术应用
第一章结构试验概论
1-1结构试验任务
《建筑结构试验》是土木专业的一门专业技术课,主要介绍结构试验的方法、程序和基本原理。
通过这门课的学习,使学生获得结构试验方面的基础知识和基本技能,并能够进行一般结构试验的设计与实施。
结构试验的任务是:
以试验构件或模型为对象,通过使用测试仪器和试验设备,对结构物受作用后的性能进行观测,通过对量测数据的分析(如荷载、应力、变形、应变、温度、振幅、频率、裂缝宽度等),了解并掌握结构的力学性能,并对试验对象的结构性能做出评价,为验证和发展结构计算理论提供试验依据。
结构试验是研究和发展
结构计算理论的重要手段
特别是混凝土结构、钢结构、砌体结构等设计规范所采用的计算理论,几乎全部是以试验研究的直接结果作为基础的。
结构试验是一门综合性很强的课程
√应该具备结构工程专业知识(结构、材料、施工)。
√应该掌握材料力学、结构力学、弹性力学、混凝土结构、钢结构等相关知识。
√应该了解机械、液压、电工、电子及计算机方面的相关内容。
1-2结构试验目的
根据不同的试验目的,结构试验
一般分为:
★科学研究性试验
★生产鉴定性试验
1-3结构试验分类
按试验对象尺寸大小分为:
真型试验模型试验
按试验对象是否破坏分为:
•破坏性试验•非破坏性试验
按试验场地分为:
•实验室试验•现场试验
第二章结构试验设计
2-1结构试验设计概述
一、结构试验的四个阶段
1.试验规划与设计2.试验准备阶段3.试验实施阶段4.试验数据分析与总结
二、试验大纲内容
1.试验的目的与意义2.试验构件设计3.试验装置与加载装置设计4.试验观测方案设计5.试验经费预算6.试验进度计划7.试验安全措施
三.结构试验运行程序
2-2试验设计内容
一、试验构件设计1.试件形状设计2.试件尺寸设计3.试件数量设计4.试验模型设计
(一)试件形状设计
单个构件:
梁、板、柱
节点试件:
平面节点、空间节点
3.空间结构模型:
缩尺模型、相似模型
a.对单一构件设计时,一般构件(如梁、板、柱、桁架等)实际形状都能满足试验要求。
b.对节点形状设计,特别是对于从整体结构中取出部分构件单独进行试验时,必须注意其边界条件的模拟,使其能如实反映该部分结构构件的实际工作状态。
空间模型
(二)试件尺寸设计
1.静力试验:
单梁、柱或节点试件比例为真型的1/4~1,
整体性试件可取1/10~1/2,
砼构件截面边长应在12cm以上。
2.动力试验:
振动台试验模型比例为1/50~1/4。
(三)、试件数量设计
生产性试验:
按照《预制混凝土构件质量检验评定标准》中结构性能检验规定,确定试件数量。
科研性试验:
根据试验对象各参数构成的因子数和水平数来决定试件数目—正交试验法。
如混凝土试件因子有:
配筋率、配箍率、剪跨比、混凝土强度等级共4个因子数。
其中混凝土强度等级有3个水平数:
C20;C30;C40。
由试件参数的因子数和水平数用正交试验法确定试验构件个数。
若4个因子各有3个水平数则选L9(34)正交表。
(四)试验模型设计
▲真型试验:
规模大、难度大、经费多
▲模型试验:
尺寸小、难度小、易实现、经费少
◆模型设计依据:
相似理论
★几何相似常数
★材料相似常数
★质量相似常数
★荷载相似常数
下标m与p分别代表模型和真型
静力试验模型设计的相似条件
按相似条件推算真型结构的数据
由模型试验获得的数据
可推算得到真型结构的数据
二、试验加载方案设计
1.试验加载图式设2.试验加载方案设计3.试验加载制度设计
1.试验加载图式设计2.试验加载装置设计3.试验加载制度设计
三、试验测试方案设计
1.观测项目的确定2.测点的选择与布置3.仪器的选择与测试方法
第三章结构静载试验(单调加载试验)
3-1概述
结构静载试验是结构试验中最基本最常用的一种试验。
静载试验又称单调加载静力试验。
所谓“静力”是指试验过程中试验结构的反应不包含任何惯性作用和加速度的影响。
结构静载试验主要研究结构在静荷载作用下结构及构件的强度、刚度、抗裂性、稳定性等基本性能和破坏机制。
3-2静载试验加载设备及加载方法
一、对试验荷载及加载设备的基本要求
1.试验荷载的作用方式必须使被试验结构或构件产生预期的内力和变形方式。
2.试验荷载传力方式和作用点明确,设备产生的荷载数值要稳定,且便于进行控制和测量。
3.加载设备或装置不应参与结构的工作,不改变结构或构件的受力状态。
4.加载设备本身应有足够的强度和刚度。
二、静载试验加载方法
(一)重力加载法
1.直接重力加载法:
把符合试验要求的重物按试验加载程序直接放置在结构上。
(二)液压加载法:
液压加载设备是结构实验室最常见的加载设备。
液压加载系统由液压泵源、液压管路、控制装置和加载器组成。
1.液压加载装置液压加载装置是由加载反力架、试验台座和液压系统组成。
2.液压加载器(千斤顶)种类:
手动千斤顶、电动千斤顶、单向作用千斤顶、双向作用千斤顶。
3.液压试验机种类:
万能材料试验机、压力试验机、长柱试验机。
4.电液伺服液压试验系统
(1)组成:
液压泵源、液压管路、控制系统、电液伺服加载器。
(2)电液伺服加载工作原理:
1、系统工作时,电液伺服阀根据指令(电流)信号调节压力油的流量,驱动作动器产生荷载。
2、安装在作动器上的力传感器和位移传感器,可检测加载器所产生的压力和位移,并将检测结果(反馈信号)传送至控制系统。
3、控制系统将指令信号和反馈信号进行比较,根据两者之差产生调节指令信号,再送到电液伺服阀,调节作动器的位移和荷载。
4、如此循环,直到指令信号和反馈信号之差满足控制精度要求。
(3)电液伺服加载系统主要特点:
a.电液伺服阀根据控制器发出的指令,可控制高压油流速和流量的大小,以便使加载器产生不同的试验荷载。
b.试验系统的伺服机构可利用反馈信号实现闭环控制。
(三)机械加载法
机械加载机具和设备:
螺旋式千斤顶、弹簧、手动葫芦、绞盘、卷扬机等。
(四)气压加载法
气压加载适合于板壳结构施加均布荷载
正压加载试验、负压加载试验
3-3荷载支承设备和试验台座
一、试验支座
1.活动铰支座:
活动铰支座容许架设在支座上的构件自由转动和在一个方向上移动。
它提供一个竖向的支座反力,不能传递弯矩,也不能传递水平力。
2.固定铰支座:
固定铰支座容许架设在支座上的构件自由转动但不能移动。
3.刀口铰支座:
刀口铰支座主要用于柱受压试验中。
由于在柱受压试验中对压力作用点定位有较高要求,刀口铰支座能够保证压力作用点准确定位。
4.球铰支座:
球铰支座可保证试件承压面均匀受压。
二、试验台座及反力刚架
1、试验台座
(1)地槽式台座
(2)箱式台座
2、反力刚架
(1)竖向反力刚架:
由立柱和横梁组成,对结构可施加竖向荷载。
(2)水平反力刚架(反力墙):
对结构可施加水平荷载。
3-4静载试验测量仪器
一、测量系统的基本组成及作用
1、组成:
传感部分放大部分显示部分
2.作用:
(1) 传感部分:
由传感元件或传感器组成,它从试验对象的测点感受信号并传送给放大部分。
(2) 放大部分:
也称放大器,它通过各种方式将传感器传来的信号放大并传送至显示部分。
(3)显示部分:
将经过放大的机械信号或电信号通过指针、电子数码管、显示屏等显示。
3.机械式仪表与电测仪器仪表的特点
(1)机械式仪表其测量系统的三部分组成一体。
(2)电测仪器仪表其测量系统一般由三个独立部分组成。
三、对量测仪器的基本要求
1.测量仪器不应该影响结构的工作,要求仪器自重轻、尺寸小。
2.测量仪器具有合适的灵敏度和量程。
3.安装使用方便,稳定性和重复性好。
4.价廉耐用,可重复使用,安全可靠,维修容易。
四、位移测试仪表
(一)机械式百分表和千分表
1.仪表构成:
感受部分——仪表测杆放大部分——齿轮机构显示部分——指针表盘
2.主要性能:
分辨率——百分表:
0.01mm千分表:
0.001mm
量程——百分表:
10mm、30mm、50mm千分表:
1mm、3mm、5mm
(二)张线式位移传感器
原理:
张线式位移传感器通过钢丝与被测物体相连,钢丝缠绕在张线式位移传感器的转轴上,钢丝的另一端则悬挂一重锤。
当被测物体发生位移时,重锤牵引缠绕钢丝推动传感器指针旋转,然后从传感器的表盘读数。
(三)电阻应变式位移传感器
原理:
电阻应变式位移传感器的测杆通过弹簧与一固定在传感器内的悬臂梁相连,在悬臂梁的根部粘贴电阻应变片。
测杆移动时,带动弹簧使悬臂梁受力产生变形,通过电阻应变仪测量电阻应变片的应变变化,再转换为位移量。
(四)滑动电阻式位移传感器
原理:
滑动电阻式位移传感器的基本原理是将线位移的变化转换为传感器输出电阻的变化。
(五)线性差动电感式位移传感器
原理:
线性差动电感式位移传感器是通过高频振荡器产生一参考电磁场,改变了电磁场强度,感应线圈的输出电压随即发生变化。
(六)磁致伸缩式位移传感器
磁致伸缩式位移传感器是由测杆、电子仓和套在测杆上的非接触式磁环组成。
原理:
传感器工作时,由电子仓内的电子电路产生一初始脉冲,该脉冲在磁致伸缩丝中传输时,同时产生了一个沿磁致伸缩丝方向前进的螺旋磁场,当这个磁场与磁环中的永久磁铁相遇时,产生磁致伸缩效应,使磁致伸缩丝发生偏转。
这一偏转被安装在电子仓内的电子电路所感应并转换成相应的电子脉冲,计算初始脉冲和偏转脉冲的时间差,即可得到被测物体的位移。
五、转角测量仪表
(一)水准管式倾角测量仪
(二)电阻应变式倾角传感器
将电阻应变式倾角传感器安装在试验结构需要测量转角的部位,结构转动时,倾角传感器内的重锤使悬挂重锤的悬臂梁产生挠曲应变,利用粘贴在悬臂梁上的应变片即可测量其变化。
(三)间接测量角位移装置:
间接测量角位移装置就是利用机械装置测量线位移,再将线位移转换为角位移。
六、力的测量仪器
1.原理:
利用机械式仪表测量弹性元件的变形,再将变形转换为弹性元件所受的力。
2.种类
a.钢环式测力计:
当钢环受力时产生变形,由百分表测量钢环的变形。
b.环箍式压力计:
通过一该感杠杆机械装置来测量钢环的变形。
c.钢丝测力计:
利用测量张紧钢丝的微小挠曲变形,得到钢丝的张力。
(二)电阻应变式力传感器
1.原理:
利用安装在力传感器上的电阻应变片测量传感器弹性变形体的应变,再将弹性体的应变值转换为弹性体所受的力。
2.种类:
a.空心柱式结构:
在柱体上加工了内老外螺纹,传感器既可以用来测量压力,也可以利用内螺纹安装连接件测量拉力。
b.轮辐式结构:
传感器受力时,安装在“辐条”上的电阻应变片可以测量辐条的剪应变。
七、裂缝测量仪器
(一)裂缝的观测方法
1.借助放大镜用肉眼观测裂缝。
2.用粘贴在混凝土受拉区的电阻应变片来判断裂缝位置。
3.在试件表面涂刷脆性涂料或脆性油漆,当混凝土开裂时,裂缝处脆性涂层断裂,指示出开裂位置。
(二)裂缝宽度的测量
1.读数显微镜:
由光学放大部分和机械读数部分组成。
2.裂缝观测仪
3-5应变测量技术
一、应变测量原理:
应变的量测,就是在预定的标准长度范围(标距)L内,量测长度变化增量的平均ΔL,由ε=ΔL/L求得,这就是应变测量原理。
二、应变测量方法
(一)机测法
1.原理:
利用机械式仪表,测量试验结构上两点之间的相对线位移,然后再转换为应变值。
2.常用仪表
(1)双杠杆应变仪
(2)手持式应变仪
3.特点
优点:
(1)试验操作简单
(2)数据可靠(3)不受电磁等因素干扰
缺点:
(1)由于要求测点之间有一定距离,只能测得两点之间的平均应变,因此不适合应变变化较大区域内的应变测量。
(2)不能自动记录数据,当应变测点较多时,测点布置困难。
(3)受到温度影响时,补偿方案不易实现。
(二)电测法
电测法基本原理是电阻应变测量方法:
电阻应变计电阻应变仪
3-6电阻应变测量方法
一、应变计的构造、分类及主要性能指标
电阻应变计又称为电阻应变片,简称为应变片。
1.应变计的构造:
a.电阻丝敏感栅:
它是应变计将应变转换成电阻变化的主要元件。
b.基底:
起保护和绝缘作用。
c.引线:
通过引出线与应变仪相连接d.覆盖层:
保护敏感栅。
2.应变计的分类
按敏感栅材料分类:
金属电阻应变计(金属丝、金属箔)半导体式应变计
按基底材料分类:
纸基胶基
按使用极限温度分类:
低温常温中高温高温
按敏感栅结构的形状分类:
单轴多轴——应变花
3.应变计的主要性能指标
a.电阻值R:
R=120Ωb.标距L:
敏感栅的有效长度c.灵敏系数K:
单位应变引起应变计的电阻变化。
二、电阻应变计的工作原理
由物理学可知,金属丝的电阻R与长度L和截面积A有如下关系:
设:
K=1+2μ+C(1-2μ)
三、电阻应变仪
(一)电阻应变仪作用:
把电阻应变片输出的阻值变化率(ΔR/R)转换成电压(ΔU)或电流(ΔI)的变化,然后进行放大后再还原成应变值(ε)显示出来。
(二)电阻应变仪的组成:
1.测量系统2.放大系统3.显示系统
(三)测量电路的基本原理
1.测量电路的的作用
将ΔR/R转换成ΔU或ΔI,并根据测试要求实现多种接桥方法。
2.测量电路的形式
惠斯登电桥
惠斯登电桥由四个电阻R1、R2、R3、R4组成,四个电阻构成电桥的四个桥臂。
根据电工学原理,在电桥B、D端输出电压Uout与电桥A、C端输入电压Uin关系为:
当四个桥臂的电阻满足:
电桥的输出电压Uout为零,这种状态称为平衡状态。
假设初始状态为平衡状态,如果桥臂电阻产生变化
ΔR,输出电压也将相应变化ΔUout:
对于等臂电桥,即R1=R2=R3=R4,因为
上式可化简为:
四、电阻应变测量技术
(一)应变测量的组桥方法
1.1/4电桥测量
当只有一个桥臂连接的是测量应变计(R1),其它三个桥臂上的电阻不因试验对象的应变而变化,称为1/4电桥测量,此时:
2.半桥测量
R1、R2为试件上的工作应变计,R3、R4为应变仪内的标准电阻,此时:
3.全桥测量
R1、R2、R3、R4均为试件上的工作应变计,此时:
(二)温度补偿技术
在测量试件应变过程中,当环境温度发生变化时,试件上的工作应变计的电阻值也随之变化,此外,由于应变计与试件材料的线膨胀系数不同,也造成应变计阻值发生变化。
由于温度效应所引起以上两部分虚假应变称为视应变。
视应变非试件受力引起,必须设法消除,消除虚假应变的方法称为温度补偿技术。
常用以下两种方法消除视应变。
1.专设温度补偿应变计方法
对温度补偿应变计的要求:
a.补偿块材料与试件材料相同。
b.温度补偿应变计与工作应变计的型号、规格、阻值应完全相同。
c.补偿块与试件应在同一温度场内。
d.与应变仪连接导线的规格、长度应相同。
2.工作应变计互补法
R1、R2同为工作应变计:
ε1=εp+εt
ε2=-εp+εt
ε仪=ε1-ε2=(εp+εt)-(-εp+εt)=2εp
采用温度互补法的条件:
a.试件上R1与R2点的应变符号相反,且比例关系已知。
b.试件材料应为匀质材料(混凝土试件不可用)。
(三)应变测量方法
1.拉、压应变的测量a.专设温度补偿计法b.温度互补法
半桥:
全桥:
R1、R3:
ε1=εp+εt=ε3
R2、R4:
ε2=-μεp+εt=ε4
ε仪=ε1-ε2+ε3-ε4=2(1+μ)εp
2.弯曲应变的测量
a.专设温度补偿计法
R1:
ε1=εM+εt
R2:
ε2=εt
ε仪=ε1-ε2=εM+εt-εt=εM
b.温度互补法
半桥:
R1:
ε1=εM+εt
R2:
ε2=-εM+εt
ε仪=ε1-ε2=2εM
全桥:
R1、R3:
ε1=εM+εt=ε3
R2、R4:
ε2=-εM+εt=ε4
ε仪=ε1-ε2+ε3-ε4=4εM
半桥测量
(四)平面应力状态下的主应力、主应力方向和剪应力量测与计算
若结构在双向应力状态下,主应力方向未知(如梁的弯剪共同作用区、双向板的受力等),则需在测点上布置三个应变片组成的应变花,以测量该测点的主应力大小、主应力方向和剪应力。
最大主应力:
最小主应力:
剪应力:
主应力方向:
为与x轴的夹角
(五)电阻应变片的粘贴与检测技术
1.选择电阻应变片
(1)选择应变片的类型和规格
所选应变片规格应根据试验试件的材料性质和试件的应力状态而定。
在匀质材料制成的试件上贴片时,一般应选用标距较小的应变片;在非匀质材料制成的试件上贴片时,应选用大、中标距的应变片;试件处于平面应力状态时应该选用应变花。
(2)应变片质量检查
外观检查:
可用放大镜进行,对所选定的应变片逐片进行检查,主要检查有无气泡、霉斑、锈点等缺陷,以及栅丝是否平直、整齐、均匀,不合格的应变片应于以剔除。
电阻值检查:
先用万用电表检查是否有断路和短路,然后用电桥逐个测量其电阻值,并进行电阻值选配。
在同一测区内的应变片的阻值应基本一致,阻值相差不得超过仪器可调平的允许范围。
2.试件测点表面处理
为了保证应变片与测点表面粘结牢固,测点表面必须平整干净,钢材试件表面应除锈打磨。
先用工具或化学试剂除去试件待测表面漆层、电镀层、锈斑及污垢覆盖层,然后用80#砂布打平磨光,再用120#砂布打成与测量方向成45°交叉斜纹,吹去浮尘后用棉球蘸丙酮沿一个方向擦试干净。
最后在试件上划出测点定位标记,等待贴片。
3.粘贴应变片
贴片前应准备聚乙烯类塑料薄膜若干片(每片大小约是应变片基底面积的二到三倍)以备待用。
使用502快干胶贴片时,应左手捏住应变片引线,分清应变片正反面后,右手上胶,胶水应匀而薄且不宜过多。
稍等片刻,待胶水开始发粘时,迅速将应变片粘在试件的标记位置上,并校正方向贴好。
再垫上塑料薄膜,用手指来回滚压,挤出空气,以保证粘贴平整、均匀、牢固。
4.固化处理
贴片后必须使粘贴剂充分干燥,以保证固化后能传递试件的变形和保证应变片的绝缘度,一般靠自然干燥让溶剂挥发而固化。
但当温度低于15℃时,为加快这一过程,可用红外线灯或热吹风机将粘片区加热至40℃~50℃。
温度过高可能引起脱壳,甚至损伤应变片。
5.焊接导线
焊接导线前,先应在应变片引出线处粘贴绝缘性较好的接线端子,接线端子(1-2mm厚覆铜绝缘板制成)粘贴牢固后再将引出线焊与接线端子上,最后把测量导线的一端与接线端子连接,见图。
6.贴片质量检查
(1)用放大镜检查贴片方位是否准确,有无缺角、气泡,焊接点是否存在虚焊,导线固定是否牢固等外观质量问题。
(2)用兆欧表量测应变片与试件绝缘度是否满足要求。
一般静动态测量绝缘电阻值均大于200MW以上方为合格。
(3)用万用电表检查是否短路或断路,并用电桥测量应变片电阻值有无变化,一般在胶层固化后应变片电阻值应无明显变化。
7.如有必要重贴时,一定要除去原有胶层,重新擦洗、划线、涂胶重贴。
8.应变片防潮处理
当环境湿度较大或在较长时间内须进行重复试验时,应采用防潮措施,以保证应变片正常工作。
防潮措施应在应变片粘贴质量检查合格后立即进行。
一般环境条件下用松香石腊(1∶2)加热溶化、脱水调匀,降温至50℃左右时,均匀涂于应变片上,厚度约为2mm,且必须覆盖整个应变片并稍大5mm左右。
需做防水处理时,一般采用环氧树脂胶。
环氧树脂胶配方比例为:
环氧树脂:
邻苯二甲酸二丁脂:
乙二胺=100:
15:
7。
3-7一般结构静载试验
一、编制试验大纲(试验方案)
1.概述
说明试验的目的和意义、试验采用的标准和依据、试验的基本要求。
2.试件设计及制作工艺
列表给出试件的规格和数量,绘制试件制作施工图,提出对材料性能的基本力学性能指标。
3.加载方案与设备
包括荷载种类及数量,加载设备装置,荷载图式及加载制度。
4.试验方案和内容
主要说明观测项目,测点布置,测量所用的仪器仪表的性能指标。
5.安全技术措施
包括人身和设备、仪器仪表等方面的安全防护措施。
6.试验组织管理
包括试验进度计划,人员组织分工,指挥调度程序,相关技术资料管理等。
7.附录
包括所需器材、仪表、设备及原材料总量清单,观测记录表格,以及必要的辅助试验说明等。
二、试验构件设计
1.试件形状设计2.试件尺寸设计3.试件数量设计
三、制定加载及观测方案
1.静载试验的加载制度
(1)分级加载制度及荷载值的确定
a.根据试件的受力特点和要求,计算试件的使用状态短期试验荷载值。
在达到短期荷载值以前,每级加载值不宜大于短期荷载值的20%,超过短期荷载值后,每级荷载值不宜大于短期荷载值的10%。
b.为了较准确的捕捉开裂荷载,对于研究性试验,加载到开裂荷载计算值的90%后,每级加载值不宜大于短期荷载值的5%;对于生产鉴定性试验,荷载接近抗裂检验荷载时,每级荷载不宜大于该荷载值的5%;裂缝出现后,仍按第a条的要求加载。
c.对于研究性试验,加载到达承载力试验荷载计算值的90%以后,每级加载值不宜大于短期荷载值的5%;
对于鉴定性试验,加载接近承载力检验荷载时,每级荷载不宜大于承载力检验荷载设计值的5%。
d.每级卸载值可取为短期荷载值的20%~30%;每级卸载后在构件上的剩余值宜与加载时的某一荷载值对应,以便在同一荷载值下进行测试数据的比较。
(2)砼结构静载试验中荷载持续时间
a.每级荷载加载或卸载后的持续时间不少于10min,且宜相等。
b.如果试验要求得到结构或构件的正常使用极限状态的性能指标,如变形和裂缝宽度,在使用状态短期试验荷载作用下的持续时间不少于30min。
c.对于预应力混凝土结构或构件,在开裂试验荷载计算值作用下的持续时间宜适当延长。
d.在现场对混凝土结构进行试验时,对新型结构或构件、大跨结构或其它重要结构,在使用状态短期荷载作用下的持续时间不宜少于12h。
2.试验观测方案设计
(1)确定观测项目
静载试验观测项目:
荷载、反力、位移、转角、应变、裂缝分布、裂缝宽度
(2)确定测点位置,进行测点布置
测点布置原则:
a.在满足试验目的的前提下,测点宜少不宜多,以便使试验工作重点突出。
b.测点的位置必须
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